江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 張 婷 張慧珍 張 寧 黃文俊

基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的小型病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究

江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 張 婷 張慧珍 張 寧 黃文俊

在單片機(jī)上處理實(shí)現(xiàn)的小型病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括輸液報(bào)警器、自動(dòng)窗簾、溫度檢測(cè)儀、脈搏檢測(cè)儀，是病房在繁多事務(wù)時(shí)幫助醫(yī)務(wù)工作者監(jiān)護(hù)病人的良好助手，是研究智能化病房如何普及開(kāi)來(lái)的一個(gè)開(kāi)端。

病房監(jiān)護(hù)；輸液報(bào)警；單片機(jī)

1.引言

近年來(lái)常常出現(xiàn)因護(hù)士醫(yī)生的粗心而導(dǎo)致某些醫(yī)療事故，不僅給病人及病人家屬造成了相當(dāng)程度上的損害，同時(shí)也影響了醫(yī)院的聲譽(yù)。因此，針對(duì)醫(yī)院看護(hù)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)想出一套病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的方案。整個(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)該的核心部分是輸液報(bào)警器，再輔之以自動(dòng)窗簾、溫度檢測(cè)儀、脈搏檢測(cè)儀等。輸液報(bào)警器的作用是當(dāng)輸液結(jié)束時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)閉輸液管。自動(dòng)窗簾是利用光敏電阻結(jié)合步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)控制，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)候，窗簾自動(dòng)打開(kāi)，增加室內(nèi)的采光度。溫度檢測(cè)儀是利用溫度濕度傳感器，隨時(shí)監(jiān)控病房?jī)?nèi)的溫度以利于護(hù)士及時(shí)作出相應(yīng)的措施。脈搏檢測(cè)儀利用脈搏傳感器，通過(guò)病人的手指就可以測(cè)到脈搏，跟傳統(tǒng)意義上的人工測(cè)試脈搏相比，大大的節(jié)約了人力物力資源。

2.輸液報(bào)警器

2.1 電路圖設(shè)計(jì)

電路圖如圖1.1。

4069芯片管腳圖如圖1.2所示。

2.2 工作原理

電路圖為利用折射式檢測(cè)原理設(shè)計(jì)的輸液報(bào)警器，在電路圖中，ICI為一只型號(hào)為MOCH22A的槽型光電耦合器，在其槽路中卡入透明的輸液管，當(dāng)輸液管中有液體和沒(méi)有液體時(shí)，對(duì)其輸入端紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線(xiàn)有不同的折射系數(shù)。調(diào)整槽型光耦的位置使有液體時(shí)其輸出端的光敏三極管接收到的紅外光最強(qiáng)。此時(shí)，槽型光耦輸出端呈低阻態(tài)，其等效電阻與R2分壓的結(jié)果使反相器D1輸入低電平，輸出高電平經(jīng)D2再次反向后使D2輸出低電平，二極管VDI正向偏置，由反相器D3，D4組成的受控振蕩器因VDI的前肢作用而無(wú)法起振，D3輸出低電平，D4輸出低電平；同樣，因D4輸出低電平使VD2正向偏置而使由D5，D6構(gòu)成的受控振蕩器亦無(wú)法起振。揚(yáng)聲器Y不發(fā)聲。

而到管路中沒(méi)有液體時(shí)，此時(shí)，由于空氣的折射系數(shù)要小于液體，改變了原來(lái)的折射體系，光敏三極管能夠接受到的紅外線(xiàn)能變小，輸出呈高阻態(tài)，經(jīng)與R3分壓的結(jié)果使反相器D1輸入高電平而使D2輸出高電平。二極管VDI反向偏置從而解除了對(duì)受控振蕩器的控制。由D3，D4構(gòu)成的受控振蕩器開(kāi)始振蕩從而控制由D5，D6構(gòu)成的音效受控振蕩器起振，在D6的輸出端輸出間歇的音效信號(hào)經(jīng)由VT1、VT2組成的達(dá)林頓管放大后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲報(bào)警。

表3.1 技術(shù)參數(shù)表

2.3 焊接調(diào)試

開(kāi)始在面包板上試連接電路圖，調(diào)試運(yùn)行，自習(xí)檢查電路連接中的錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后焊接電路板，再調(diào)試運(yùn)行，直至電路調(diào)試成功。

3.光控自動(dòng)窗簾

3.1 設(shè)計(jì)思路

圖1.1 輸液報(bào)警器電路連接圖

圖1.2 輸液報(bào)警器中4069芯片管腳圖

圖2.1 光控自動(dòng)窗簾電路圖

圖3.1 Keil uVision3

圖3.2 主程序偽代碼

圖3.3 外部中斷服務(wù)程序偽代碼

圖3.4 定時(shí)器中斷服務(wù)程序偽代碼

圖3.5 液晶顯示偽代碼

圖3.6 延時(shí)子程偽代碼

圖3.7 顯示結(jié)果

圖4.1 處理流程

圖4.2 溫度采集模塊偽代碼

圖4.3 數(shù)據(jù)處理模塊偽代碼

圖4.4液晶顯示模塊偽代碼

圖4.5 溫度測(cè)量?jī)x顯示圖

圖5.1 總體作品

因?yàn)槲覀兊恼n題是病房管理系統(tǒng)，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)自動(dòng)窗簾時(shí)，充分考慮到病人的需求，我們的設(shè)計(jì)理念是讓病人得到最大的便利。首先，電路要求有裝置能感應(yīng)到光照的強(qiáng)弱。這就要求電路中必須有一個(gè)感光電路，在電路中我們選用光敏電阻作為感光電路。它對(duì)光的變化非常敏感，在光的照射下，阻值會(huì)明顯變小。利用這一特性我們可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)下面的控制電路。其次，電路能夠根據(jù)光線(xiàn)強(qiáng)弱將窗簾打開(kāi)和關(guān)閉。這是本次設(shè)計(jì)的主要部分即控制電路。由光敏電阻的特性可知，光照會(huì)引起它的阻值的變化，而阻值的變化又會(huì)引起電路中電壓或電流的變化。因此控制電路器件可選用壓控或流控的器件，在電路中我們選用了壓控的運(yùn)算放大器和晶體管來(lái)構(gòu)成主控電路。首先運(yùn)放輸入電位的高低可控制輸出電平的高低，運(yùn)放的輸出接著由晶體管組成的開(kāi)關(guān)電路。根據(jù)輸出的不同，晶體管或?qū)ɑ蚪刂粒瑥亩刂齐姍C(jī)或工作或停止。由要求可知，窗簾有兩個(gè)動(dòng)作：打開(kāi)和關(guān)閉。因此要求電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。此電路中，我們用一個(gè)對(duì)稱(chēng)的控制電路來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。它們的不同之處在于與直流電機(jī)正負(fù)極的連接方向不同而已。最后，就是制動(dòng)電路。為了實(shí)現(xiàn)窗簾接觸到邊沿時(shí)，自動(dòng)切斷電源。根據(jù)晶體管低電平截至的特性，我們?cè)趦山M三極管組成的開(kāi)關(guān)電路前加上了兩個(gè)接地開(kāi)關(guān)，當(dāng)窗簾拉開(kāi)或關(guān)閉到位時(shí)，將會(huì)接觸到開(kāi)關(guān)，使得開(kāi)關(guān)閉合，那么晶體管將截止，電機(jī)將停止工作。這就達(dá)到了控制窗簾到位后切斷電源的要求。

3.2 電路設(shè)計(jì)

電路圖如圖2.1。

3.3 工作原理

如圖2.1所示，該光控自動(dòng)窗簾電路采用集成雙運(yùn)算放大電路ICI和光敏電阻器RG作為主要控制元件。光敏電阻器RG與運(yùn)算放大器IC、電位器RP1、RP2等構(gòu)成控制電路。

在清晨，環(huán)境光線(xiàn)較強(qiáng)，光敏電阻器RG呈低阻值狀態(tài)，使IC的2腳電壓較3腳電壓高，Ic的5腳電壓較6腳的電壓高，IC的1腳低電平，7腳輸出高電平，使晶體管V1-V3均導(dǎo)通，V4-V6均截至，電動(dòng)機(jī)M正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)窗簾拉開(kāi)。當(dāng)窗簾拉合到位后，滑動(dòng)觸頭開(kāi)關(guān)S1被觸動(dòng)而接通，使VI的基極變?yōu)榈碗娖剑琕1-V3均截至，電動(dòng)機(jī)M停轉(zhuǎn)。

當(dāng)夜幕降臨時(shí)，環(huán)境光線(xiàn)較弱，光敏電阻器RG的阻值變大，使IC的3腳電壓高于2腳的電壓，1腳輸出高電平，使晶體管V4-V6均導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)M反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)窗簾拉和。當(dāng)窗簾拉和到位后，滑動(dòng)觸頭來(lái)關(guān)S2被接通，使V4的基極變?yōu)榈碗娖?，V4-V6截至，電動(dòng)機(jī)M停轉(zhuǎn)。

調(diào)節(jié)電位器RP1、RP2的電阻值，改變IC的2腳電壓和5腳電壓的高低，是使清晨時(shí)IC的7腳輸出高電平，1腳輸出低電平；而傍晚時(shí)IC的1腳輸出高電平，7腳輸出低電平即可。

4.脈搏測(cè)量器

4.1 設(shè)計(jì)原理

4.1.1 硬件原理

本電路由傳感器電路、信號(hào)放大和整形電路、單片機(jī)電路、液晶顯示電路等四部分組成。傳感器電路，信號(hào)放大和整形電路方面做成兩個(gè)模塊，將其整合在一個(gè)電路板上，采集到的信號(hào)輸入到單片機(jī)外接接口里，通過(guò)程序的計(jì)算，將脈搏數(shù)顯示在液晶屏的第一行上。

4.1.2 脈搏測(cè)試傳感器的工作參數(shù)

HK-2000B+脈搏傳感器是在HK-2000B脈搏傳感器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的產(chǎn)品。傳感器探頭直徑做到15mm，電路部分外設(shè)。HK-2000B+脈搏傳感器電路模塊該電路集成了信號(hào)放大、信號(hào)調(diào)理、幅度調(diào)整、基線(xiàn)調(diào)整等電路。輸出可直接接A/D轉(zhuǎn)換電路。具體如表3.1所示。

4.1.3 軟件原理設(shè)計(jì)

程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，由主程序、外部中斷服務(wù)程序、定時(shí)器TO中斷服務(wù)程序、延時(shí)子程序，液晶顯示子程序等模塊組成。主程序完成程序的初始化，中斷0服務(wù)程序由測(cè)量、計(jì)算、讀數(shù)等部分組成。定時(shí)中斷服務(wù)程序由計(jì)時(shí)、動(dòng)態(tài)掃描顯示、無(wú)測(cè)試信號(hào)判斷等部分組成。程序中用變量n對(duì)時(shí)間計(jì)數(shù)，用變量m對(duì)脈搏脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)。

4.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

4.2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

硬件環(huán)境：脈搏傳感器，單片機(jī)，電路板。

軟件環(huán)境：Keil uVision3,如圖3.1所示。

4.2.2 數(shù)據(jù)收集具體實(shí)現(xiàn)的方案

根據(jù)具體的需要如采集信號(hào)，放大信號(hào)，濾波，穩(wěn)定信號(hào)，輸出信號(hào)等。

4.2.3 編寫(xiě)程序

總體分為五個(gè)模塊：主程序、外部中斷服務(wù)程序、定時(shí)器TO中斷服務(wù)程序、延時(shí)子程序，液晶顯示子程序。

a）主程序：調(diào)用各子程序，實(shí)現(xiàn)整體功能，偽代碼如圖3.2所示。

b）外部中斷服務(wù)程序如圖3.3所示。

c）定時(shí)器中斷偽代碼如圖3.4所示。

d）液晶顯示，將脈搏次數(shù)顯示在液晶屏上，偽代碼如圖3.5所示。

e）延時(shí)子程偽代碼如圖3.6所示。

4.3 顯示結(jié)果

顯示結(jié)果如圖3.7所示，LED中首行顯示“pulse:065”表示脈搏數(shù)65/分鐘。

5.溫度測(cè)量?jī)x

5.1 原理

在以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)中，有時(shí)需進(jìn)行溫度采集及控制，實(shí)用溫度測(cè)量?jī)x的工作原理如圖4.1所示。根據(jù)以上原理，在設(shè)計(jì)溫度測(cè)量?jī)x的過(guò)程中，關(guān)鍵是對(duì)不同的方案進(jìn)行比較分析，從而尋求性能/價(jià)格高的實(shí)施方案:采用DS18B20作為溫度傳感器DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器,它取代了傳統(tǒng)方法中的采樣、放大、AD電路,直接把溫度信號(hào)變?yōu)榇袛?shù)字量供CPU處理,單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將溫度測(cè)量值送LCD顯示。

5.2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

5.2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

硬件環(huán)境：DS18B20,單片機(jī)。

軟件環(huán)境：Keil uVision3。

5.2.2 具體實(shí)現(xiàn)方案

由溫度采集、數(shù)據(jù)處理及液晶顯示三個(gè)模塊構(gòu)成。

各組成部分程序代碼：

a）溫度采集模塊偽代碼如圖4.2所示。

b）數(shù)據(jù)處理模塊偽代碼如圖4.3所示。

c）液晶顯示模塊偽代碼如圖4.4所示。

5.3 顯示結(jié)果

將18B20插入單片機(jī)內(nèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果如圖4.5。

由圖4.5可知，在第二行的數(shù)據(jù)中，溫度為27.500°C,符合現(xiàn)實(shí)溫度，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果是正確的.

6.作品展示及說(shuō)明

如圖5.1所示，作品是由輸液報(bào)警器、光控自動(dòng)窗簾、脈搏測(cè)量及溫度顯示構(gòu)成的在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)的小型病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能實(shí)用、響應(yīng)速度快，控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定且易操作。

[1]郭天祥.新概念單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].2012.

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M].2006.

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[5]潘豐.自動(dòng)控制原理[M].2012.

張婷（1990—），女，江蘇沭陽(yáng)人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院電子信息工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：通信與控制工程。

張慧珍（1990—），女，河北滄州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院信息安全專(zhuān)業(yè)，研究方向：信息安全。

張寧（1991—），女，甘肅慶陽(yáng)人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，研究方向：自動(dòng)化。

黃文?。?990—），男，河南信陽(yáng)人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，研究方向：自動(dòng)化。